CN112621790B - 一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置 - Google Patents

一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，包括手部支架机构、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构。手部支架机构包括电机、电机轴套、滑轨及IMU传感器。拇指运动机构包括长旋转盘、力矩传感器、角度传感器、拇指套、压力传感器、二连杆、拇指托架及拇指固定环。手柄机构包括圆柱握柄、压力传感器、柔性固定带和滑块。旋转盘与电机间通过绳索传动力矩。手柄机构可前后移动并自复位。本发明克服了传统手指力反馈成本高、不可调节的问题，佩戴紧凑且有自适应自由度；绳索传动保证反馈力柔顺真实；通过搭载的传感器，可实时传输手部姿态、拇指与食指转角和抓握力、中指接触力等信息。

Description

一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置
技术领域
本发明涉及力反馈领域，涉及一种手指力反馈装置，尤其涉及一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置。
背景技术
虚拟现实技术发展迅速，在虚拟场景中，为增强用户与虚拟世界的交互性和沉浸感，常引入力触觉装置，通过力触觉反馈允许用户去触碰和操作虚拟物体。但是，大部分力反馈设备方案中，提供的反馈仅是有和无的区别，且多局限于对整个手部的反馈力。少部分外骨骼手套可对手指产生力反馈，但结构复杂，价格较高，且多为钢性连接，对于不同手型的适应性欠缺。
在遥操作领域，一般系统包括主端的操作者与力反馈设备和从端的机械手。主端向从端发送控制指令并接收从端反馈回来的力信息，通过力反馈设备增强了力觉临场感并减少操作失误。为感知从端机械手抓取物体力的大小，防止力过大损坏物体，力过小无法完成抓取任务，需要主端设备具备手指运动及反馈自由度。
本发明提供了一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，可用于虚拟现实领域和遥操作领域。本发明重点实现拇指与食指的运动及力反馈，可进行虚拟场景中手指抓握操作，与传统的纯钢性力反馈转置相比，本发明有一个手柄自适应自由度，佩戴及运动更舒适。通过绳索传动方式，在保证精准反馈力的同时，使反馈更加柔顺和真实；通过搭载的角度传感器、压力传感器和IMU传感器，可实时获取手部姿态、手指抓握转角和抓握力信息，可用做遥操作系统主手机构。
发明内容
本发明目的是提供一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，可用于虚拟现实和遥操作领域，利用绳索驱动实现拇指和食指的弯曲运动，利用自适应移动手柄提高机构的灵活性和佩戴舒适性，利用手指托架和柔性固定环提高佩戴的紧凑性。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，所述力反馈装置包括：手部支架机构、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构。本发明相比于传统力反馈机构，具备手指运动和反馈的自由度，克服了纯刚性运动不可调节的问题，使用者佩戴紧凑且有自适应的自由度，人机交互性更好。绳索驱动的方式在保证反馈力精准的同时更柔顺真实。通过搭载的传感器，可实时传输手部姿态、手指转角和抓握力信息。所述手部支架机构包括动力电机、电机轴套、滑轨及IMU传感器。动力电机用螺栓与手部支架固定。电机轴套上有D型孔，与对应的动力电机轴一致，两者紧密装配。滑轨上有三个沉孔，通过螺栓螺母与手部支架机构连接。
作为本发明的一种改进，所述拇指运动机构包括长旋转盘、拇指角度传感器、拇指套、拇指薄膜压力传感器、带拉簧的二连杆、拇指托架及拇指固定环。长旋转盘中间嵌入滚珠轴承，使用销轴和卡簧与手部支架连接，长旋转盘可围绕销轴自由转动。拇指套与长旋转盘、拇指套与第一一级连杆、第一一级连杆与第一二级连杆，二级连杆与拇指托架间都为销轴卡簧连接，皆可围绕销轴转动。拇指固定环用螺栓螺母固定在拇指托架上。长旋转盘与电机轴套通过绳索传动，长旋转盘的转动会带动电机轴套同步转动，电机轴套与动力电机紧密连接，当动力电机产生力矩时，便可对拇指的转动产生精准的力反馈。
作为本发明的一种改进，所述手柄机构包括圆柱握柄、柔性固定带和滑块。柔性固定带用螺栓螺母与圆柱握柄连接，圆柱握柄使用螺栓与滑块相固定。滑块可以卡入手部支架凹槽内的滑轨中并能沿滑轨方向自由移动，圆柱手柄使用螺栓与滑块固定。滑块两侧与手部机构槽的两壁有圆柱形凸出，可嵌入弹簧。当滑块受力偏移中心位置时，受到弹簧力作用将自动复位。机构运动可自动调整手部与机构的相对位置，防止出现机构卡死情况，具有更好的人机交互性与舒适性。
作为本发明的一种改进，所述拇指套与食指套相对于旋转盘具有转动自由度，旋转的角度由安装在两个旋转盘上的角度传感器分别测量，可实时输出手指第一关节与第二关节转动的角度。
作为本发明的一种改进，除动力电机和传感器外，食指固定环、拇指固定环和柔性固定带由软胶材料3D打印而成，其余机构都由高性能尼龙材料3D打印而成。人手中指、无名指与小指穿过柔性固定带并固定，抓握住圆柱握柄。食指穿过食指托架与食指固定环构成的圆孔，第一关节穿入食指套，第二关节被食指固定环固定，拇指穿过拇指托架与拇指固定环构成的圆孔，第一关节穿入拇指套，第二关节被拇指固定环固定，拇指与食指可分别运动，具备两个运动自由度。
作为本发明的一种改进，所述手柄机构顶部与滑块连接，所述手部支架的末端有凹槽，滑轨通过螺栓固定在凹槽内，滑块可以沿着滑轨前后自由移动；滑块与凹槽的侧壁设置四根弹簧，手柄机构偏移中心位置后可自复位。
作为本发明的一种改进，所述动力电机用螺栓固定在手部支架圆孔内，电机轴套底部开有与动力电机的电机轴一致的D型孔，紧密连接至电机轴上；长旋转盘与短旋转盘内嵌入滚珠轴承，用销轴和卡簧与手部支架连接，旋转盘可绕轴自由转动；旋转盘的两侧有固定孔，绳索从左侧孔穿入，在电机轴套上缠绕五至六圈后，从旋转盘右侧孔穿出并张紧固定；通过绳索传动，保证旋转盘与动力电机轴同步转动；所述电机轴套有上下两层挡板，可防止转动过程中绳索上下偏移。
作为本发明的一种改进，所述长旋转盘与短旋转盘绕销轴的运动中心各安装有一维力矩传感器，可直接测量从电机传递来的扭矩，准确反映对手指反馈力的大小与方向。
作为本发明的一种改进，所述拇指套与食指套内侧表面均设置了薄膜压力传感器，该传感器为柔性材质，可贴合拇指套和食指套的内表面，不影响人手指的佩戴。当用户拇指或者食指向内侧弯曲运动时，手指与薄膜压力传感器接触，可测量向内的压力，即抓握力。
作为本发明的一种改进，所述圆柱握柄上安装有一薄膜压力传感器，位于中指与圆柱握柄接触点，可测量中指对于圆柱握柄的正压力。
作为本发明的一种改进，所述拇指套通过销轴与长旋转盘连接，拇指套整体可绕轴自由转动，拇指套与拇指托通过一个二连杆结构连接，拇指套与拇指第一关节紧密接触，拇指托与第二关节接触，拇指弯曲时，两级连杆间角度会发生改变，拇指向内弯曲时，连杆夹角变大，向外弯曲时夹角变小，两连杆中间设置有拉簧，角度变大时，拉簧被拉伸会自动产生张紧力，保证拇指运动机构与人手拇指同步运动不脱落。
手部支架拇指套与食指套的出轴处设置有拇指角度传感器和食指角度传感器，可分别实时监测拇指套与食指套转动的角度。
作为本发明的一种改进，所述的手部支架机构上部安装有IMU传感器，可实时输出手部的姿态信息。
作为本发明的一种改进，所述拇指套与食指套的内侧面均设置有柔性单点压力传感器，可以实时检测两手指的抓握压力。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：
1）本发明设计的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，手柄机构与手部支架间通过滑块和滑轨实现前后自由移动，滑块与手部支架凹槽侧壁设置四根弹簧，手柄机构偏移中心位置后可自复位，当拇指和食指进行捏握操作时，针对不同手型，机构可自动调整手部与机构的相对位置，不会出现机构卡死的情况，具有更好的人机交互性与舒适性。
2）本发明设计的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，旋转盘与电机轴套通过绳索进行传动，当动力电机产生力矩时，可对拇指或食指的转动产生精准的力反馈，绳索传动使反馈更柔顺与真实。
3）本发明设计的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，大部分机构都由高性能尼龙材料3D打印而成，重量轻，成本低，容易维修，适合普通人使用。
4）本发明设计的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，设置有带拉簧的二连杆及手指托架机构，保证运动过程中手指与机构不松动，佩戴紧凑舒适。
5）本发明设计的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，通过搭载的角度传感器、压力传感器和IMU传感器，可实时获取手部姿态、拇指与食指的抓握转角和拇指食指中指的抓握力信息，为与计算机通信交互做基础。
附图说明
图1为本发明提供的二自由度绳索传动式手指力反馈装置整体结构示意图。
图2为本发明具体实现图。
图3为旋转盘机构与电机轴套连接示意图。
图4为手柄机构与手部支架机构连接示意图。
图5为拇指运动机构整体结构图。
图6为食指运动机构整体结构图。
附图标记说明：
1-手部支架，2-拇指套，3-食指套，4-圆柱握柄，5-柔性固定带，6-滑块，7-滑轨机构，8-弹簧，9-中指薄膜压力传感器，10-动力电机，11-轴套，12-长旋转盘，13-绳索，14-第一一级连杆，15-拉簧，16-第一二级连杆，17-拇指托架机构，18-拇指固定环，19-拇指薄膜压力传感器，20-短旋转盘，21-拇指角度传感器，22-食指角度传感器，23-食指薄膜压力传感器，24-第二一级连杆，25-拉簧，26-第二二级连杆，27-食指托架，28-食指固定环，29-IMU传感器，30-拇指力矩传感器，31-食指力矩传感器。
具体实施方式
以下讲结合具体实施对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，如图1所示，主要包括手部支架机构1、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构。使用者将中指、无名指和小指并排穿过柔性固定带5并张紧，弯曲抓握在圆柱握柄4上，可确保手与力反馈机构的相对位置不变。大拇指穿过拇指架托17，将拇指第一关节伸入拇指套2内，用拇指固定环18将拇指架固定在拇指第二关节上。食指穿过食指架托27，将食指第一关节伸入食指套3内，用食指固定环28将食指架固定在食指第二关节上。拇指与食指分别可以进行抓握运动，具备两个旋转运动自由度。
具体地说，如图2所示，所述的手部支架机构包括动力电机10、电机轴套11、滑轨7及IMU传感器29。动力电机上表面有攻丝的螺纹孔，用螺栓与手部支架固定。电机轴套上有D型孔，与对应的动力电机轴一致，两者紧密装配。滑轨上有三个沉孔，通过螺栓螺母与手部支架机构连接。
所述的拇指运动机构包括拇指长旋转盘12、拇指力矩传感器30、拇指角度传感器21、拇指套2、拇指薄膜压力传感器19、带拉簧的二连杆、拇指托架17及拇指固定环18。拇指长旋转盘中间嵌入滚珠轴承，使用销轴和卡簧与手部支架连接，拇指长旋转盘可围绕销轴自由转动。拇指套与拇指长旋转盘、拇指套与第一一级连杆、第一一级连杆与第一二级连杆，第一二级连杆与拇指托架间都为销轴卡簧连接，皆可围绕销轴转动。拇指固定环用螺栓螺母固定在拇指托架上。
所述的食指运动机构基本与拇指机构类似，尺寸有些许变化，包括食指短旋转盘20、食指力矩传感器31、食指角度传感器22、食指套3、食指薄膜压力传感器23、二连杆、食指托架27及食指固定环28。
所述的手柄机构包括圆柱握柄4、中指薄膜压力传感器9、柔性固定带5和滑块6。柔性固定带用螺栓螺母与圆柱握柄连接，滑块底部有4个自攻丝螺纹孔，圆柱握柄为中空结构，螺栓从内部穿过，与滑块相固定。
除所有传感器装置外，拇指固定环、食指固定环和柔性固定带由软胶打印而成，其余机构都由质量轻便且具备一定硬度的高性能尼龙材料打印而成。
图3为旋转盘机构与电机轴套连接示意图，以长旋转盘与电机轴套为例进行阐述。长旋转盘与电机轴套间有0.5mm的空隙，可容纳绳索穿过。绳索可采用软的钢丝绳或者带有韧性的鱼线，绳索粗细为0.35mm。绳索从旋转盘左侧孔穿入，绕着旋转盘的曲面缠绕，然后绕到电机轴套上，反向围绕5~6圈，最后从旋转盘右侧孔穿出，在绳索完全张紧的情况下，左右孔的绳索与旋转盘固定。旋转盘的转动会带动电机轴套同步转动，同时旋转盘的曲面半径是电机轴套曲面半径的3倍，因此两者传动减速比为3：1。电机轴套与动力电机紧密连接，当动力电机产生力矩时，便可对拇指的转动产生力反馈。
图4是手柄机构与手部支架机构连接示意图。相比于传统的纯刚性连接，本装置使用可自动调节距离且可自复位的结构设计。滑块6可以卡入滑轨7中并能沿着滑轨方向自由移动且阻力较小，滑块下表面有四个攻丝的螺纹孔，圆柱手柄使用螺栓与滑块固定。滑轨下表面有三个并排的沉孔，使用螺栓螺母将滑轨与手部支架机构固定。滑块的两边与手部机构槽的两壁有圆柱形凸出，可将四组弹簧8套入圆柱凸出。当滑块受力偏移中心位置向机构后部移动时，后部的弹簧会被压缩，前部的弹簧被拉伸，当力撤销后，滑块将自动复位至中心位置。因此，当拇指和食指进行捏握操作时，因为用户手型有区别，机构可自动调整手部与机构的相对位置，不会出现机构卡死的情况，具有更好的人机交互性与舒适性。同时，所述圆柱握柄上安装有中指薄膜压力传感器，位于中指与圆柱握柄接触点，可测量中指对于圆柱握柄的正压力。
图5为拇指运动机构整体结构图，拇指长旋转盘有两个通孔，前部M4的孔用于固定拇指力矩传感器并与手部支架机构连接，后部M3的孔用于与拇指套连接，拇指套顶部出轴，用卡簧进行上下限位。拇指套可绕轴自由旋转，旋转角度由安装在拇指长旋转盘上的拇指角度传感器21测量。所述的拇指套内侧表面设置了拇指薄膜压力传感器，该传感器为柔性材质，可贴合拇指套内表面，不影响拇指的佩戴。当用户拇指向内侧弯曲进行运动时，拇指与拇指薄膜压力传感器接触，可测量向内的压力，即抓握力。为保证拇指套与拇指不会因运动而脱落，设置了二连杆结构与拇指托架。二连杆结构包括第一一级连杆14和第一二级连杆16，连杆内侧均有小钩，拉簧15挂载在两端小钩上，提供一个自适应的拉力。所述的拇指托架17与连杆间为销轴卡簧连接，用户佩戴时拇指托架与拇指第二关节呈垂直关系，拇指固定环18为柔性环，可保证拇指第二关节不会脱离拇指架托，并可适应不同粗细的拇指。
图6为食指运动机构整体结构图，结构与图5的拇指运动机构类似。但食指相较于拇指更长，因此设置食指短旋转盘，以保证整体运动的协调。食指的旋转角度由安装在食指短旋转盘上的食指角度传感器22测量，食指向内测弯曲的压力由食指薄膜压力传感器23测量，整个旋转盘收到的来自电机的力矩由一食指力矩传感器31测量。第二一级连杆24与第二二级连杆26的长度可根据人手的不同进行微调更换。食指托架与食指固定环的内径亦可根据食指第二关节的粗细进行调整。
本发明结构简单，易于使用，成本较低，与传统的纯钢性力反馈转置相比，本发明克服了不可调节，运动不舒适的问题；手柄机构与手部支架间可前后移动并能自复位，使用者佩戴紧凑且有自适应的自由度，人机交互性更好；通过绳索驱动方式，在保证精准反馈力的同时，使反馈更柔顺真实；设置有带拉簧的二连杆及手指托架机构，保证运动过程中手指与机构不松开；通过搭载的角度传感器、压力传感器和IMU传感器，可实时获取手部姿态、手指抓握转角和抓握力信息，为与计算机通信交互做基础；大部分机构使用尼龙材料3D打印而成，成本低，重量轻，维修简单，适合普通人使用。
本发明方案所公开的技术手段不局限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，包括手部支架机构、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构；所述手部支架机构包括手部支架、动力电机、电机轴套、滑轨及IMU传感器，动力电机用螺栓与手部支架固定，电机轴套上有D型孔，与对应的动力电机的电机轴一致，两者紧密装配，滑轨上有三个沉孔，通过螺栓螺母与手部支架机构连接；所述拇指运动机构包括长旋转盘、拇指力矩传感器、拇指角度传感器、拇指套、拇指薄膜压力传感器、第一一级连杆、第一二级连杆、拇指托架及拇指固定环，长旋转盘中间嵌入滚珠轴承，使用销轴和卡簧与手部支架连接，长旋转盘可围绕销轴自由转动，拇指套与长旋转盘、拇指套与第一一级连杆、第一一级连杆与第一二级连杆，第一二级连杆与拇指托架间都为销轴卡簧连接，皆可围绕销轴转动，拇指固定环用螺栓螺母固定在拇指托架上，长旋转盘与电机轴套通过绳索传动；所述食指运动机构与拇指运动机构相同，呈对称设置，包括短旋转盘、食指力矩传感器、食指角度传感器、食指套、食指薄膜压力传感器、第二一级连杆、第二二级连杆、食指托架及食指固定环；所述手柄机构包括圆柱握柄、中指薄膜压力传感器、柔性固定带和滑块，柔性固定带用螺栓螺母与圆柱握柄连接，圆柱握柄使用螺栓与滑块相固定，滑块卡入手部支架凹槽内的滑轨中并能沿滑轨方向自由移动，圆柱手柄使用螺栓与滑块固定，滑块两侧与手部支架凹槽的两壁有圆柱形凸出，嵌入弹簧。
2.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，除动力电机和传感器外，食指固定环、拇指固定环和柔性固定带由软胶材料3D打印而成，其余机构都由高性能尼龙材料3D打印而成。
3.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述手柄机构顶部与滑块连接，所述手部支架的末端有凹槽，滑轨通过螺栓固定在凹槽内，滑块可以沿着滑轨前后自由移动；滑块与凹槽的侧壁设置四根弹簧。
4.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述圆柱握柄上安装有一中指薄膜压力传感器，位于中指与圆柱握柄接触点。
5.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述动力电机用螺栓固定在手部支架圆孔内，电机轴套底部开有与动力电机的电机轴一致的D型孔，并紧密连接至电机轴上；长旋转盘与短旋转盘内嵌入滚珠轴承，用销轴和卡簧与手部支架连接，旋转盘可绕轴自由转动；旋转盘的两侧有固定孔，绳索从左侧孔穿入，在电机轴套上缠绕五至六圈后，从旋转盘右侧孔穿出并张紧固定。
6.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述长旋转盘与短旋转盘绕销轴的运动中心分别安装有拇指力矩传感器和食指力矩传感器。
7.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述手部支架拇指套与食指套的出轴处分别设置有拇指角度传感器和食指角度传感器。
8.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述手部支架最上端设置有一个IMU传感器。
9.根据权利要求1所述的二自由度绳索传动式手指力反馈装置，其特征在于，所述拇指套与食指套的内侧面均设置有柔性单点压力传感器。
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